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为什么天王星和海王星如此不同?

计算机模拟显示,巨大的撞击可能解释了我们太阳系中这两颗冰巨星之间的诸多差异。

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旅行者2号任务拍摄了这两颗冰巨星,天王星(左)和海王星(右)。图片来源:左:NASA/JPL-Caltech;右:NASA

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冰巨星天王星和海王星)看起来应该一样。它们的质量、大小和与太阳的距离相似,科学家们长期以来认为它们的形成方式也类似。但只要看看它们,就能发现这两颗行星明显不同。这表明它们可能并非初看之下那么相似。

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相反,每颗冰巨星在过去都可能经历过一次独特的、毁灭性的事件,从而走上了两条不同的演化轨道。为了更全面地了解太阳系早期是如何形成的,科学家们需要确切知道我们最外围的行星是如何形成的。

现在,一个研究团队利用计算机模拟表明,与大型岩石天体的碰撞可能导致了这两颗行星分化的历史,从而解释了它们外观如此不同的原因。

冰巨星的差异

也许冰巨星之间最明显的差异是它们的自转轴。天王星的自转轴相对于其轨道平面倾斜了约98度。而海王星以及太阳系中大多数其他行星的自转轴或多或少与其轨道对齐(尽管金星的自转方式也“不对”)。

这两颗冰巨星还有其他重大差异,比如海王星似乎有一个内部热源在为其供暖,而天王星可能没有。

过去的研究曾提出,巨大的撞击可能解释了天王星的倾斜自转,同时也解释了冰巨星之间的其他差异。因此,苏黎世大学的Christian Reinhardt和其他研究人员决定测试今天的最新3D模拟是否支持这些观点。

两种碰撞

研究人员发现,如果海王星过去与一个大型岩石天体发生正面碰撞,它可能会向行星内部注入额外的能量,这些能量随着时间的推移缓慢地以热量的形式渗出。他们认为,这可能是海王星内部散发出额外热量的来源。

对于天王星,模型显示,与其他岩石天体的擦边球式或斜向撞击可以解释该行星的倾斜,以及其卫星奇特的轨道特性。研究人员认为,天王星的卫星很可能形成于曾经围绕该行星的碎片盘,而新的模型表明,这样的碎片盘可能是擦边球式撞击的副产品。

Reinhardt在电子邮件中写道,令人兴奋的是,新模型支持撞击假说。但他同时也指出,这个项目还有很多工作要做。例如,研究人员仍需将这些潜在的撞击与太阳系形成过程的模拟联系起来,并模拟行星内部在更长时间尺度上的演化。

Reinhardt写道:“理解天王星和海王星的形成与演化,不仅是我们理解‘我们的’行星如何形成时的缺失的一块拼图,而且也能更好地理解在这一质量范围内的许多已观测到的系外行星的形成。”

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研究人员在《皇家天文学会月报》上发表了他们的发现。

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